XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование параметров космической погоды воздействующих на сердечно-сосудистую систему человека в высоких широтах
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
«Мы не можем изучать организм как нечто обособленное от внешней среды –от Земли до космоса, ибо живой организм не существует в отдельности, вне этой среды, и все его функции непрерывно связаны с нею».
А. Л. Чижевский
ВВЕДЕНИЕ
На здоровье человека и его самочувствие могут влиять различные факторы окружающей среды, в том числе погодные. Часто можно услышать от родственников и знакомых жалобы на плохое самочувствие, проявляющееся в виде головных болей, повышения давления, болей в области сердца, и объяснения такого состояния реакцией организма на изменение погодных условий.
Выявлено, что помимо явно влияющих факторов внешней среды, таких как метеорологические условия,на состояние здоровья человека могут оказывать влияние и факторы космической погоды, т.е. явления, происходящие в околоземном и космическом пространстве. В последние десятилетия было установлено, что основной мишенью человеческого организма, на работу которой может оказывать значительное воздействие гелиогеомагнитная активность, является сердечно-сосудистая система в состоянии патологии [2,6,8,9]. Сердечно–сосудистая система, одна из первых включается в процесс адаптации к изменяющимся условиям внешней среды и проявляется изменениями в системе кровообращения, а в состоянии патологии чаще приводит к инвалидизации и смерти.
Актуальность. Поскольку основными причинами смертности населения в республике с 2014 года и на протяжении 5 лет являются болезни системы кровообращения (45,1%), то интерес к изучению зависимости их частоты от изменений солнечных и геофизических параметров, становится одной из самых актуальных задач современной медицины [10].
Цель исследования: Изучить влияние геомагнитной активности на сердечно-сосудистую систему человека на территории г. Якутска.
Задачи:
1. Теоретический анализ литературы по исследуемой теме.
2. Сбор базы данных по геомагнитной активности за 2011 (вблизи максимума солнечной активности) год.
3. Провести обработку данных геомагнитной активности за 2011 год.
4. Провести анализ данных скорой помощи г. Якутска по количеству вызовов к больным с сердечно-сосудистыми заболеваниями за 2011 год;
5. Сравнительный анализ данных геомагнитной активности с данными скорой помощи за 2011 год.
Объект исследования: солнечно-земные связи
Предмет исследования: изучение параметров космической погоды воздействующих на сердечно-сосудистую систему человека в высоких широтах.
Методы исследования: анализ литературных источников, обработка данных, статистический анализ количества вызовов скорой помощи к больным с сердечно-сосудистыми заболеваниями, спектрально-временной анализ, сравнение, обобщение.
Новизна работы заключается в том, что впервые в исследовании воздействия факторов внешней среды на сердечно-сосудистую систему человека в высоких широтах будут использованы данные локального К-индекса геомагнитной активности по станции Якутск.
Практическая значимость: Сравнение числа вызовов скорой помощи к больным с сердечно-сосудистыми заболеваниями с уровнем геомагнитной активности позволит расширить представление о влиянии геофизических факторов на здоровье человека в высоких широтах.
ГЛАВА 1. Литературный обзор
1.1. Основные понятия космической погоды
Космическая погода – это совокупность факторов, определяющих электромагнитную и радиационную обстановку в околоземном космическом пространстве. Основным фактором, существенно влияющим на состояние околоземного космического пространства, является солнечная активность. Солнечная активность имеет циклический характер со средней продолжительностью цикла в 11.2 года. За последние 80 лет течение цикла несколько ускорилось и средняя продолжительность циклов уменьшилась до 10.5 лет. Изменение солнечной активности приводит к изменению условий в магнитосфере и ионосфере Земли, которые могут повлиять на работу и надежность бортовых и наземных технологических систем, земную погоду, состояние биосферы Земли, а также на здоровье человека [5].
Земля получает от Солнца не только свет и тепло, но и подвергается воздействию ультрафиолетового и рентгеновского излучения, солнечного ветра, солнечных космических лучей. Вариации мощности этих факторов при изменении уровня солнечной активности вызывают цепочку взаимосвязанных явлений в межпланетном пространстве, в магнитосфере, ионосфере, атмосфере, биосфере и гидросфере Земли [7].
Земля обладает собственным магнитным полем, которое называют также геомагнитным полем. Оно непрерывно меняется, как во времени, так и в пространстве. И все, что находится на земле, в том числе люди, животные и растения, подвергаются воздействию невидимых силовых линий этого поля. Возмущения магнитного поля Земли вызываются Солнцем. На Солнце время от времени происходят взрывы, в результате которых из его атмосферы выбрасываются в межпланетное пространство потоки заряженных частиц. Когда эти потоки достигают магнитной оболочки Земли, они взаимодействуют с ней и вызывают ее возмущение. Приборы на Земле его регистрируют как магнитные бури. Выбрасываемые из Солнца потоки заряженных частиц очень разнообразны, поэтому практически нет строго одинаковых магнитных бурь. Они отличаются не только своей силой, интенсивностью, но и особенностями развития отдельных процессов. Основной показатель магнитной бури – Dst – вариация. При амплитуде Dst – вариации в пределах 50-100 нТл магнитная буря считается средней величины, при Dst 100-200 нТл – большая магнитная буря, при Dst более 200 нТл мы имеем очень большую магнитную бурю.
Индексы геомагнитной активности предназначены для описания вариаций магнитного поля Земли. В настоящее время наиболее распространенными являются локальные индексы К и Q, а также планетарные индексы, определяемые по сети магнитных обсерваторий, – Kp, Dst и AE. Вариации магнитного поля, а также индексы Q, Kp, Dst, и AE измеряются в нТл (гаммах). Kp, Dst, и AE индексы характеризуют амплитуду вариаций за часовые или минутные интервалы, Qиндекс – за 15-минутный интервал.
К-индекс – это ранжированная амплитуда вариаций магнитного поля за трехчасовой интервал по мировому времени, вычисляемый по данным конкретной обсерватории. Индекс был введен Дж. Бартельсом в 1938 г. и представляет собой значения от 0 до 9 для каждого трехчасового интервала. Качественно состояние магнитного поля в зависимости от К-индекса можно приблизительно охарактеризовать следующим образом: K <= 2 – спокойное; K = 2, 3 – слабовозмущенное; K = 4 – возмущенное; K = 5, 6 – магнитная буря; K >= 7 – большая магнитная буря. По мере роста знаний о влиянии магнитных бурь на окружающее пространство наметился переход на индексы, определяемые за более короткие интервалы времени, вплоть до 1 мин.
Планетарный индекс Kpвычисляется как среднее значение К-индексов, определенных на 13 геомагнитных обсерваториях, расположенных между 44° и 60° северной и южной геомагнитных широт. Его диапазон также от 0 до 9.
1.2. Влияние космической погоды на сердечно-сосудистую систему человека
Практически все проведенные ранее исследования влияния космической погоды на больных с сердечно-сосудистой патологией были выполнены в средних широтах. В то же время хорошо известно, что максимальные абсолютные величины гелиогеомагнитной возмущенности проявляется в высоких широтах [3]. Проживание человека в условиях высоких широт характеризуется воздействием низких температур, хронического влияния на организм человека высокоэнергетических колебаний геомагнитных полей, космических излучений, в широком интервале долгот имеет место самое большое различие в наклонах осей вращения Земли и диполя геомагнитного поля (110), инфразвуковых воздействий, отсюда становится понятным, что на жителей высоких широт воздействуют более значительные геомагнитные возмущения, чем на жителей средних широт [1].
Заболевания сердечно-сосудистой системы, и особенно ишемическая болезнь сердца и артериальная гипертония, стали в последние десятилетия наиболее распространенными на Севере причинами ранней инвалидности и смертности трудоспособного населения. Одной из важных особенностей течения этих заболеваний на Севере является сезонное обострение патологии в октябре-ноябре и марте-апреле. Многочисленные исследования выявили, что основными факторами, отрицательно влияющими в эти периоды на состояние больных, становятся геомагнитные возмущения и бури, характеризующиеся наиболее мощными всплесками в этот период, резкий перепад температуры воздуха и атмосферного давления. Это связано с тем, что максимальные колебания геомагнитного поля наблюдаются в поясе, между 60 и 70 градусами геомагнитных широт. Отмечено, что в эти периоды чаще всего возникают инсульты и гипертонические кризы, нарастает число обострений ишемической болезни сердца, нередко приводящих к инфаркту миокарда.
ГЛАВА 2. Изучение влияния геомагнитной активности на сердечно-сосудистую систему человека на территории г. Якутска
2.1. План исследования
1. Сбор данных по геомагнитной активности.
2. Предварительная подготовка данных к обработке.
3. Спектрально-временной анализ (сглаживание методом скользящей средней) локального К-индекса геомагнитной активности и числа вызовов скорой помощи к больным с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
4. Построение сравнительного графика.
5. Сделать сравнительный анализ взаимосвязи индекса геомагнитной активности и числа вызовов скорой помощи к больным с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
6. Выводы.
2.2. Сбор и подготовка данных к обработке
На данном этапе работы для решения вышеупомянутой цели нами был проведен сбор данных параметра геомагнитной активности и числа вызовов скорой помощи к больным по поводу сердечно-сосудистых заболеваний за февраль-май 2011 года, так как этот период является периодом вблизи максимума солнечной активности.
Параметр геомагнитной активности представлен показателем локального К-индекса по г. Якутску, который был получен из Магнитного обсерватория «Якутск», включенного в мировую сеть магнитных станций, где проводится измерение уровня магнитного поля Земли и регистрация геомагнитных пульсаций.
Данные вызовов скорой помощи к больным по поводу сердечно-сосудистых заболеваний по г. Якутску (145000 карт вызовов) за февраль-май 2011 года были распределены по диагнозам (стат.анализ): острое нарушение мозгового кровообращения (ОНМК), инфаркт миокарда (ИМ), ишемическая болезнь сердца (ИБС), гипертонический криз (ГпК) и общее число вызовов. При обработке медицинских данных на каждый диагноз получили индивидуальный ряд данных за весь период (Приложение 1).
2.3. Спектрально-временной анализ локального К-индекса геомагнитной активности и числа вызовов скорой помощи к больным с сердечно-сосудистыми заболеваниями
Для обработки данных мы использовали метод сглаживания скользящей средней в программе EXСEL. Для анализа графиков программу ORIGIN.
Рассмотрим детальный процесс обработки на примере К-индекса. Вначале мы внесли данные в программу ЕХСЕL (схема 1). Потом для выяснения наиболее оптимального периода сглаживания временного ряда мы попробовали отфильтровать данные методом скользящей средней с шагом в 2, 4, 6 суток.
Рис. 1 Сглаживание параметра К-индекс с интервалом 2 суток
Как видно из рис.1, сглаживание совершенно недостаточное, высокочастотные колебания остались, сложно сравнивать экстремумы ряда медицинских данных и геомагнитной активности.
Рис.2 Сглаживание параметра К-индекс с интервалом 4 суток
Рис.3 Сглаживание параметра К-индекс с интервалом 6 суток
Как видно из рис.3, некоторые периоды максимума сместились на пару дней, чрезмерное сглаживание может повлечь трудности в интерпретации результатов (найти точки соприкосновения в двух рядах).
Таким образом, наиболее оптимальным вариантом сглаживания мы выбрали шаг в 4 суток.
Затем выяснив среднее скользящее по программе, недостающие данные высчитали по формуле y1= (y1+y2)/2,
y2=(y1+y2+y3)/3,
yn=(yn-2+yn-1+yn)/3
Так нами получен сглаженный временной ряд К-индекса с интервалом сглаживания в 4 дня.
Данные ОНМК, ИМ, ИБС, ГпК, общего числа вызовов скорой помощи к больным с сердечно-сосудистыми заболеваниями были обработаны таким же образом.
Схема 1 Алгоритм обработки временного ряда методом сглаживания скользящей средней
2.4. Построение графиков, сравнительный анализ взаимосвязи индекса геомагнитной активности и числа вызовов скорой помощи
Полученные таким образом сглаженные данные локального К-индекса сравнили с обработанными таким же образом данными ОНМК, ИБС, ИМ, ГпК, вызовов скорой помощи больным с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
На рис. 4 по оси ординат приведены показатели ОНМК, ИМ, ИБС, ГпК, всего вызовов скорой помощи по сердечно-сосудистым заболеваниям и К-индекса геомагнитной возмущенности в относительных (условных) единицах, а по оси абсцисс время в сутках.
Рис 4. Временные вариации К-индекса геомагнитной возмущенности и числа вызовов скорой помощи к больным по поводу сердечно-сосудистых заболеваний.
Из рисунка 4 следует, что при наличии двух последовательных максимумов в данных локального К-индекса наблюдается снижение амплитуды в медицинских данных в тот же период времени (Скорая, ИБС, ОНМК), а в других случаях изменения медицинских данных представлены обратной реакцией (ГК, ИМ). После 20 суток данного периода наблюдаем наличие совпадающих максимумов изменений медицинских данных с локальным К –индексом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате работы над I этапом проекта мы пришли к следующим выводам:
1. Обнаружено частичное временное совпадение экстремумов в вариациях геомагнитной возмущенности и числа вызовов скорой помощи к больным с сердечно-сосудистыми заболеваниями даже при слабо-возмущенном состоянии геомагнитного поля (значение К-индекса 35 у.е.).
2. При наличии двух последовательных максимумов в изменениях геомагнитной активности (значение К-индекса 35 у.е.) наблюдаем нелинейную реакцию в медицинских данных. Это указывает на то, что люди с заболеваниями сердечно-сосудистой системы реагируют на изменения геомагнитной активности проявлением десинхроноза.
Далее мы планируем провести сравнительный анализ медицинских данных с другими индексами геомагнитной активности (Кр, АЕ, Dst), солнечным ветром (скоростью, плотностью солнечного ветра), межпланетным магнитным полем, чтобы найти именно тот фактор внешней среды, который больше всего будет совпадать с вариациями медицинских данных за 2011год. Затем сделаем такой же анализ за 2009 год (год минимума солнечной активности) и сравним с данными 2011 года. Также в марте-апреле 2021 г. мы примем участие в эксперименте проводимым Институтом космофизики и аэрономии.
Путь исследователя – это сложный и тернистый путь. Пусть на этом пути нас будут ждать самые головокружительные открытия!
Список использованной литературы:
1. Белишева Н.К., Конрадов А.А. Значение вариаций геомагнитного поля для функционального состояния организма человека в высоких широтах // Геофизические процессы и биосфера. 2005. Т. 4, № 1/2. С. 44–52.
2. Бреус Т.К., Рапопорт С.И. Магнитные бури: медико-биологические и геофизические аспекты. М.: Сов. спорт, 2003. 192 с.
3. Вишневский В.В. и др. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2003, 3, 3.
4. Владимирский Б.М. Солнечно-биосферные связи. Полвека спустя после А.Л. Чижевского // История и современность. – 2009. – № 2. – C.119–131
5. Владимирский Б.М. Космическая погода и биосфера–ноосфера–техносфера: Механизмы воздействия // Наука и технологические разработки. – 2016. – № 1. – С.22-36.
6. Гурфинкель Ю.И. Ишемическая болезнь сердца и солнечная активность. М.: ИИКЦ «Эльф-3», 2004. 170 с.
7. Рагульская М.В. Солнечно-земные связи: мифы и реальность. Психосоматические и интегративные исследования 2017; 3: 0301.
8. Чибисов С.М., Овчинникова Л.К., Бреус Т.К. Биологические ритмы сердца и «внешний» стресс. М.: РУДН, 1998. 288с.
9. BreusT., CornelissenG., HalbergF., LevitinA.E. Temporalassociationsoflifewithsolarandgeophysicalactivity // Ann. Geophys. 1995. V. 13. P. 1211–1222.
10. http://docs.cntd.ru/document/561518823